Radar por Onda Guiada em
Aplicações de Vapor
Saturado
Uma das maiores vantagens do Radar por Onda Guiada (GWR) sobre
outras tecnologias de medição de nível, que aumentou sua popularidade
em aplicações de processos industriais, é o fato de que ele é imune
à uma variedade de condições de processo. Mudanças específicas na
gravidade, mudanças nas constantes dielétricas, temperatura, pressão
e mudanças em ambientes com a presença de vapor não têm nenhum
efeito no desempenho dos transmissores GWR.
Entretanto, há uma aplicação na qual uma variação de processo afeta
o desempenho do GWR, no caso na Indústria da Energia, em que a
demanda por uma precisa medição de nível de caldeiras, de aquecedores
de água de alimentação e desaeradores são importantes. Estas
aplicações, que possuem vapor saturado em ambientes com a presença
de vapor, requerem atenção especial.
O erro de medição pode ser introduzido dentro de um sistema com
a presença de vapor saturado, devido à velocidade de propagação de
variações do sinal do GWR em relação à dielétrica do vapor presente
no processo. Entretanto, o erro é previsível com a alta frequência, com
pulsos eletromagnéticos percorrendo a sonda numa velocidade muito
próxima à da luz.
Com a velocidade da luz (c) no vácuo (ε= 1.00) being 186,000 miles/
second or 3x108 m/second, this is calculated as:
c / εå
Onde:
c = velocidade da luz
ε = constante dielétrica do vapor
Como a equação mostra, assim que os pulsos percorrem um ambiente
de vapor com dielétrico ε com ou perto de 1.00, nenhuma variação
significativa na velocidade da propagação é esperada. Apesar disto não
ser uma consideração para GWR na maioria das aplicações, este é um
fator considerável para aquelas aplicações em que existe a presença vapor
saturado no ambiente.
Ao passo que a temperatura (e pressão) em uma aplicação com a presença
de vapor saturado aumentam, a constante dielétrica do gás (vapor)
também aumenta. Este aumento do dielétrico com a presença do vapor
causa um delay na propagação do sinal do GWR assim que ele percorre
a sonda até o fluido de medição, como a água de aplicação de exemplos
anteriores. . Este delay da propagação do sinal resulta num nível líquido
medido aparentemente menor que o atual. Em outras palavras, em uma
tecnologia de tempo de percurso do sinal como o GWR, a reflexão detectada
do nível líquido vai aparentar “mais fora do tempo” devido ao delay.
A mudança na dielétrica do vapor saturado dependo da temperatura,
e o erro de medição associado com o delay resultante da propagação é
diretamente relacionado à equação acima. Por exemplo, o dielétrico do
ar com a presença de vapor em uma aplicação tal começa em ε = 1 @
70F (20°C). Entretanto, como exibido abaixo na Tabela 1, a constante
dielétrica do ar (vapor) vai aumentar para:
Tabela 1
Temp.
(F)
Temp.
(C)
Pressão
(psia)
Pressão
(bar)
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
37
65.5
93.3
121.1
148.9
177
204
232
260
288
315
343
371
0.95
3.72
11.54
29.84
67.03
134.60
247.30
422.50
680.60
1045.00
1543.00
2208.00
3093.00
0.06
0.25
0.80
2.05
4.62
9.28
17.05
29.13
46.92
72.05
106.38
152.23
213.25
Constante
Constante
Dielétrica do Dielétrica do
Líquido
Vapor
73.95
65.09
57.26
50.36
44.26
38.84
34.00
29.62
25.58
21.77
18.04
14.10
8.29
1.001
1.002
1.005
1.011
1.022
1.040
1.069
1.113
1.180
1.285
1.461
1.816
3.295
Erro na
Distância
%
0.0
0.1
0.2
0.5
1.1
2.0
3.4
5.5
8.6
13.4
20.9
34.8
81.5
ε = 1.11 @ 450°F (232°C), resultando num
erro de medição de cerca de -5.5 %.
ε = 1.28 @ 550°F (288°C), resultando num
erro de medição de cerca de -13.4%.
ε = 1.8 @ 650°F (345°C), resultando num
erro de medição de quase -35%.
Solução
O transmissor GWR Eclipse® Modelo 706 e a sonda coaxial para vapor
modelo 7yS combinam em fornecer uma solução única para esta aplicação.
Sabendo-se que o delay de propagação descrito acima é previsível, os efeitos
das mudanças de condições do vapor podem ser monitoras e sabendo-se
do dielétrico processo com a presença de vapor, uma compensação ativa
(continuada) e precisa da leitura do atual nível líquido pode ser realizada.
Esta é uma solução técnica com duas patentes americanas da Magnetrol (US
6642801 e US 6867729) para ambos, o alvo do conceito mecânico e o
associado software do algorítimo.
Figura 2: Sonda de Vapor em condições de processo
Sinal alvo de vapor
Sinal de Água com Delay
através do vapor
Alvo do Delay
através do vapor
Leitura de nível compensado
Os efeitos da mudança das condições do vapor descritos acima podem ser
compensados pela utilização de um alvo mecânico colocado na sonda dentro
do processo com vapor. Este alvo mecânico é especialmente projetado para
produzir uma reflexão de sinal intencional e pequena, em um local conhecido
e preciso.
A Magnetrol instala o alvo mecânico de vapor de 5 polegadas (12,5 cm),
no interior inferior da sonda coaxial modelo 7yS. Sabendo exatamente
onde o alvo é colocado em temperatura ambiente, e então monitorando
continuamente sua localização aparente enquanto as condições de vapor
saturado mudam, é possibilitado o cálculo da constante dielétrica do vapor.
Sabendo-se o dielétrico do processo com vapor a qualquer período oferecido,
uma compensação precisa da reflexão do sinal “retardado” é incorporada e
uma leitura precisa do nível líquido é realizada.
A Figura 1 é um exemplo da forma de onda como exibida, usando o
ECLIPSE DTM e o Pactware. Um típico sinal alvo de vapor é exibido para uma
temperatura ambiente, com a sonda seca.
Figura 1: Sonda para vapor em um local seco
Final do sinal da Sonda
Sinal alvo para o vapor
A Figura 2 exibe a mesma sonda de vapor em condições de processo com
nível na sonda. O sinal alvo para o vapor agora aparece mais fora do período
(mais para a direita).
A escolha da sonda
é importante
Ao contrário dos nossos concorrentes, a Magnetrol utiliza a sonda coaxial
nestas aplicações por duas razões:
1) A sonda coaxial tem uma geometria previsível e consistente, e portanto,
uma consistente e previsível impedância ao longo do comprimento da sonda.
Pelo fato da sonda coaxial ter uma impedância consistente e conhecida ao
longo de todo o seu comprimento, não ocorrem sinais indesejáveis dentro
da mesma. Subsequentemente, uma amplitude muito pequena do alvo de
vapor pode ser adequadamente detectada em qualquer lugar da sonda. Isto
é importante por que uma compensação ativa oferecida pelo alvo vai cessar
quando o nível de água aumenta e o seu sinal cobre o alvo. Portanto, o alvo
colocado no alto da sonda maximiza o comprimento útil da sonda.
Como mencionado acima, a sonda de vapor modelo 7yS tem o alvo de vapor
localizado em 5 polegadas (12.5 cm) abaixo do topo da sonda. Isto significa
que o transmissor ECLIPSE modelo 706 pode compensar ativamente quase
todo o comprimento da sonda de qualquer sonda de vapor para o ECLIPSE
706. Isto é muito importante naquelas aplicações em que o transmissor
ECLIPSE modelo 706 está substituindo modelos obsoletos dentro de uma
garrafa com tecnologia do tipo deslocadora de tubo de torque onde pequenas
faixas de medição são requeridas.
Como uma medida de comparação, fabricantes de GWR que utilizam sondas
de haste única tem seus locais de alvos de vapor em torno de 21 polegadas
(53.3 cm) abaixo da sonda, por que sondas de haste única possuem
impedâncias inconsistentes que dependem da montagem e da instalação. Os
alvos delas precisam estar localizados na parte inferior da sonda porque as
impedâncias inconsistentes vão causar sinais errôneos que podem interagir
adversamente com o sinal alvo. Isto decai dramaticamente com a área da
compensação ativa na sonda e tipicamente requerem a “um carretel” a ser
adicionado nas garrafas existentes de forma a mover o alvo de vapor para
cima e fora da faixa de medição.
2) A sonda coaxial é a sonda de GWR mais eficiente, resultando num ganho
da força de sinal.
À primeira vista, alguém não poderia pensar que uma aplicação à base d’água
iria requerer o aumento da força de sinal de uma sonda coaxial; Entretanto,
como evidenciado em partes pela explicação acima, estas aplicações de vapor
saturado não são nada comum.
um selo de liga de vitrocerâmica pesada também é usada. Isto resulta num selo
muito robusto que pode suportar as condições severas nestas aplicações.
Selo de liga de
vitrocerâmica pesada
Anéis O-rings AegisPF128
Outra fator de complicação nestas aplicações é o fato de que a constante
dielétrica da água diminui com o aumento da temperatura. Como exibido
na tabela abaixo, apesar da água ter uma constante dielétrica muito alta de
aproximadamente 80 em temperatura ambiente, sua dielétrica pode diminuir
abaixo de aproximadamente 14 em 650ºF (343ºC).
Inserção PEEK
Disco Steatite
Disco Alumina
Portanto, nestas aplicações à base d’água, uma relação dielétrica de líquido/
ar que se inicia em 80:1 de temperatura ambiente, pode por fim terminar
em 7.7:1 em 650ºF (343ºC). (A dielétrica da água de 14.1 dividido pela
dielétrica do ar de 1.82).
Por favor, veja a Figura 3, que mostra o quanto a constante dielétrica da
água e vapor mudam com a temperatura, ao longo do resultado da reflexão
do sinal.
Alvo de Vapor
VAPOR
650º F
Dielétrica do Líquido
Dielétrica do Vapor
Reflectância
Reflectância (%)
Dielétrica Relativa
Figura 3
5 Polegadas
(12.5 cm)
Montagem Remota
Em adição à versão integral, que é instalada diretamente na sonda, o
transmissor ECLIPSE modelo 706 está disponível com versões de 3 pés (1
metro) e 12 pés (3.6 metros), permitindo ao transmissor ser colocado em um
local mais conveniente devido à temperatura, vibração ou acesso.
Temperatura (F)
A força de sinal adicional da sonda coaxial é, portanto, muito importante,
especialmente quando condições adversas de processo adicionais como de
ebulição ocorrem adicionalmente reduzem a constante dielétrica aparente da
água.
Processo de Selagem
Como o vapor saturado é também uma aplicação muito agressiva e dificultosa,
de uma perspectiva de compatibilidade do material, vale a pena notar que a
Magnetrol projetou a sonda de vapor modelo 7yS especificamente para uso em
vapor saturado. Conforme mostrado abaixo, o processo de selagem utiliza um
conceito de dupla selagem.
CONTATE A MAGNETROL PARA MAIS INFORMAÇÕES:
Fone: 11-3381-8100
Email: [email protected]
www.magnetrol.com.br
A primeira linha de defesa neste projeto é um disco de cerâmica em alumina, que
protege um disco Steatite e o elemento acima PEEK HT. Para proteção adicional,
©2013, Magnetrol International, Incorporated. Uso não autorizado e/ou duplicação
deste material sem permissão expressa por escrito é estritamente proibida.
Boletim: BZ57-239.0
Data: Junho 2013